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11 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE ILUSTRACIONES... VII LISTA DE SÍMBOLOS... IX GLOSARIO... XI RESUMEN... XXVII HIPÓTESIS... XXIX OBJETIVOS... XXXI INTRODUCCIÓN... XXXIII 1. INTRODUCCIÓN A LAS TECNOLOGÍAS TRADICIONALES PARA REDES DE ÁREA EXTENDIDA Multiplexación por división de tiempo TDM Relevo de tramas FRAME RELAY Modo de transferencia asíncrona ATM Modelo de planos ATM Capas ATM Celdas ATM Generación de celdas ATM Calidad de servicio en ATM ARQUITECTURA MPLS Funcionamiento de MPLS Plano de envío Plano de control Elementos de una red MPLS I

12 2.2.1 Enrutador de etiquetas conmutadas LSR Funcionamiento del LSR en una red de paquetes Funcionamiento de un LSR en una red de celdas ATM Trayectoria de etiquetas conmutadas LSP Control independiente Control ordenado Protocolo de distribución de etiquetas LDP Tópicos avanzados de MPLS Control de distribución de etiquetas Encapsulación de MPLS a través de enlaces Ethernet Detección y prevención de bucles en MPLS Resumen de rutas en una red MPLS REDES PRIVADAS VIRTUALES BASADAS EN MPLS, MODO DE PAQUETES Elementos para construir una VPN basada en MPLS Estructura lógica de una VRF Multiprotocolo IBGP Identificadores de ruta RD Ruta objetivo RT Funcionamiento de envío de paquetes a través de una VRF Formato para comunidad extendida de BGP Enrutamiento dentro de una VRF REDES PRIVADAS VIRTUALES BASADAS EN MPLS, MODO DE CELDAS Modo ATM nativo Elementos del modo ATM nativo Intercalado de celdas II

13 4.1.3 Fusión de VC Circuitos virtuales etiquetados (LVC) Controladores de etiqueta conmutada (LSC) Modo de paquetes sobre ATM COMPARACIÓN ENTRE VPN S TRADICIONALES Y VPN S SOBRE MPLS Características de las VPN s tradicionales Tipos de VPN s Topologías de VPN s tradicionales Desventajas de las VPN s tradicionales Desventajas para VPN s sobre capa Desventajas para VPN s extremo a extremo Características de las VPN s sobre MPLS Ventajas de las VPN s sobre MPLS PROPUESTA DE DISEÑO DE VPN S SOBRE MPLS Guías para diseño Determinar la cantidad de usuarios que tendrá la red Determinar los puntos de presencia Determinar el tráfico total de la red Escoger los equipos a instalar Realizar diagrama de conexión de la red Asignar el direccionamiento para el núcleo de red Asignar los RD s para las VPN s a configurar Asignar el direccionamiento para las VPN s Establecer el tipo de enrutamiento que se tendrá en las VPN s Generación de las configuraciones por equipo Propuesta de diseño sobre una red de paquetes III

14 6.2.1 Configuración de los Routers P del proveedor Router P Router P Router P Configuración de los Routers PE del proveedor y CE del cliente Ciudad #1 PE Ciudad #1 CE cliente A Ciudad #1 CE cliente B Ciudad #2 PE Ciudad #2 CE cliente B Ciudad #2 CE cliente C Ciudad #3 PE Ciudad #3 CE cliente A Ciudad #3 CE cliente C Ciudad #4 PE Ciudad #4 CE cliente A Ciudad #4 CE cliente C Ciudad #5 PE Ciudad #5 CE cliente A Ciudad #5 CE cliente B Propuesta de diseño en red modo ATM nativo Configuración de los Routers P del proveedor Router P1 NSP Router P1 NRP Router P2 NSP Router P2 NRP Router P3 NSP Router P3 NRP IV

15 6.3.2 Configuración de los Routers PE del proveedor Ciudad #1 PE Ciudad #2 PE Ciudad #3 PE Ciudad #4 PE Ciudad #5 PE CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA V

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17 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES FIGURAS 1 VPN tradicional 4 2 Red de transporte 5 3 Red de Frame Relay 9 4 Comparación de modelo OSI y modelo ATM 12 5 Celda ATM 15 6 Red ATM 17 7 Red ATM lógica 18 8 Arquitectura de nodo 25 9 Formatos de etiqueta MPLS Funcionamiento del LSR en modo de paquetes Funcionamiento del LSR en modo de paquetes con 33 multietiqueta 12 Remoción de etiqueta (pop) Funcionamiento del LSR en modo de celdas Control independiente de establecimiento de LSP Control ordenado de establecimiento de LSP Elementos de una VPN basada en MPLS Funcionamiento de envío de paquete en una VRF Formatos de comunidad extendida BGP Elementos de una VPN basada en MPLS modo ATM nativo Implementaciones de LSC Celda ATM empaquetando el modo de paquetes sobre ATM 63 VII

18 22 VPN s sobre modo de paquetes sobre ATM Tipos de VPN tradicionales Topologías de VPN s tradicionales Diseño para implementación de VPN s sobre MPLS modo de 82 paquetes 26 Diseño para implementación de VPN s sobre MPLS modo ATM 100 nativo TABLAS I Jerarquías de Señal Digital 3 II Valores reservados de etiquetas en MPLS 34 III LFIB después de la distribución de etiquetas 38 VIII

19 LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo Significado Enrutador o Router Enrutador o Router LSR Conmutador ATM Conmutador ATM LSR Multiplexor o ADM Dispositivo de Acceso para Relevo de Tramas FRAD CSU/DSU IX

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21 GLOSARIO AAL5 ATM Adaptation Layer 5. Adaptación ATM de capa 5. Es usada para adaptar tráfico orientado a la conexión y no orientado a la conexión, por ejemplo IP. ABR Available Bit Rate, o sea, tasa de transferencia de bits disponible. Categoría de servicio usada en ATM. ANSI American National Standards Institute. Entidad regulatoria de estándares norteamericana. AS Autonomus System, o sea, sistema autónomo, nombre que se le da al identificador del proceso de BGP. ATM Asynchronous Transfer Mode, modo de transferencia asíncrona. BECN Backward Explicit Congestion Notification. Notificación explícita de congestión reversa. Bit utilizado en Frame XI

22 Relay para indicar congestión en el sentido reverso de la transmisión de la trama. BGP Border Gateway Protocol. Protocolo de enrutamiento para intercambio de rutas con otros sistemas BGP. BISDN Broadband ISDN. ISDN de banda ancha. Bit En términos digitales un 0 ó 1 binario. Byte Palabra de 8 bits. C Nombre que se asigna a un enrutador o Router propiedad del usuario o cliente. CBR Constant Bit Rate. Tasa de transferencia de bits constante que es usada como categoría de servicio en ATM. CE Customer Edge. Nombre que se le da al enrutador que se encuentra en el borde de la red del cliente y se conecta a los equipos del proveedor de la red MPLS. XII

23 CIR Committed Information Rate. Tasa de transferencia comprometida en una red de Frame Relay para un cliente. CLP Cell Lost Priority. Prioridad de pérdida de celda. Bit utilizado en la celda ATM para indicar si la misma debe descartarse. CoS Class of Service. Característica utilizada para diferenciar diversos tipos de servicio a través de una red. CPE Customer Premises Equipment. Nombre que se le da al equipo instalado en la casa del cliente. CRC Cyclic Redundancy Check. Secuencia de chequeo de trama. Direccionamiento privado Grupo o rango de direcciones IP asignados para utilizarse en redes privadas. Direccionamiento público Grupo o rango de direcciones IP asignados para utilizarse en Internet XIII

24 DLCI Data Link Connection Identifier. Identificador de conexión de enlace de datos. Es usado en Frame Relay para identificar circuitos virtuales o PVC s. DS0 Digital Signal 0. En jerarquías de señal digital equivale a un canal de 64 kbps. Ethernet Estándar de transmisión para redes de área local que utiliza una velocidad de transmisión de 10 mega bits por segundo. FasEthernet Estándar de transmisión para redes de área local que utiliza una velocidad de transmisión de 100 mega bits por segundo. FECN Forward Explicit Congestion Notification. Notificación explícita de congestión en directa. Bit utilizado en Frame Relay para indicar congestión en el sentido directo de la transmisión de la trama. FIB Forward Information Base. Tabla que utilizan los Routers para el envío de paquetes. XIV

25 FRAD Frame Relay Access Device. Dispositivo de acceso Frame Relay. Frame Relay Relevo de tramas. Modo de transmisión de datos basado en tramas que siguen circuitos virtuales. FTP File Transfer Protocol. Protocolo para la transferencia de archivos que opera en la capa 4 del modelo de referencia OSI. Fusión de VC VC Merge. Técnica que permite enviar celdas que vienen de dos VCI s entrantes, sobre un solo VCI saliente. GFC Generic Flow Control. Campo de 4 bits en la celda ATM que es usado para funciones de control de flujo. Gigabit Ethernet Estándar de transmisión para redes de área local que utiliza una velocidad de transmisión de 1000 mega bits por segundo. HDLC High Data Link Carrier. Protocolo de capa 2 usado en Routers Cisco para empaquetamiento de datos. XV

26 HEC Header Error Control. Control de error de cabecera. Bit utilizado en la cabecera de ATM para detectar y corregir errores. Interfase Loopback Interfase lógica en un enrutador no asociada a ninguna interfase física. IP Internet Protocol. Protocolo para intercambio de datos a nivel 3 del Modelo OSI basado en direcciones IP. IPv4 Ip versión 4. Esta versión utiliza direcciones de 32 bits y es la usada actualmente en todas las redes de datos. IPv6 Ip versión 6. Esta es la nueva versión de IP que sustituirá la versión 4 y utilizará 128 bits. ISDN Integrated Services Digital Network. Redes de marcado de servicios integrados. Ofrecen servicios de voz y datos a través de marcado. IS-IS Intermediate System to Intermediate System. Protocolo de enrutamiento estandarizado por la ISO y utilizado ampliamente por su robustez y escalabilidad. XVI

27 ITU-T Internacional Telecommunication Union Telecomunication Standarization Sector. Entidad normativa norteamericana para telecomunicaciones. Kbps Kilo bits por segundo. LAN Local Area Networks. Redes de área local. LC-ATM Label Controlled ATM. Interfase que controla la distribución y negociación de las etiquetas o VC s. LDP Label Distribution Protocol. Protocolo que se encarga de distribuir la información de las etiquetas asociadas a trayectorias a los LSR s. LFIB Label Forwarding Information Base. Tabla de datos con la información asociada a la asignación de etiquetas de entrada, salida, FEC s e interfases. LIB Label Information Base. Base de datos con las etiquetas aprendidas de otros LSR s más las etiquetas generadas localmente por el LSR. XVII

28 Listas de Acceso Comandos de configuración que permiten filtrar tráfico en base a direcciones IP. LMI Local Management Interface. Protocolo cíclico que verifica el estatus de la interfase entre el FRAD y el connmutador de Frame Relay. Loopback Bucle. Puente físico o lógico entre la línea de transmisión y la línea de recepción en un enlace de datos, con el fin de realización de pruebas. LSC Label Switch Controlled. Conmutador para el control y distribución y de las etiquetas o VC s. LSP Label Switched Path. Trayectoria de etiqueta conmutada. LSR Label Switching Router. Equipo o Router conmutador de etiquetas. LSR ATM Conmutador ATM de etiquetas o VC s. XVIII

29 LVC Label Switch Controlled Virtual Circuit. Trayectoria de circuito virtual conmutado. MetroEthernet Red de área metropolitana basada en el estándar de transmisión Ethernet. Modelo OSI Modelo de referencia de 7 capas o niveles para construcción redes de datos. MPLS Multiprotocol Label Switching. Multiprotocolo para conmutación de etiquetas. Arquitectura de envío de paquetes basado en trayectorias de etiquetas conmutadas. Multicast Protocolo que replica la información que recibe a varios grupos o interfases. Su mejor aplicación es transmisión de video y videoconferencia. Multiprotocol IBGP Extensión del protocolo BGP que maneja las tablas de enrutamiento de las VRF s con sesiones BGP internas. Multiplexor Conmutador de circuitos que concatena circuitos de baja velocidad en circuitos de alta velocidad. XIX

30 Mux Multiplexor. NNI Network Node Interface. Interfase de un equipo que se conecta a la red. NRP Node Route Procesor. Nodo procesador de enrutamiento. Módulo que se encarga del proceso de enrutamiento. NSP Node Switching Procesor. Nodo procesador de conmutación. Módulo que se encarga del proceso de conmutación de circuitos ATM. OSPF Open Shortest Path First. Protocolo de enrutamiento de capa 3 cuya métrica se basa en el estado del link. P Nombre que se le da al Router del Proveedor y que no está conectado al equipo del cliente. PCM Pulse Code Modulation. Modulación por código de pulso. Técnica que transmite una señal de voz por un canal de 64 Kbps en un formato de 8 bits a 8,000 muestras por segundo. XX

31 PDU Protocol Data Units. Unidad de 48 bytes usada en las celdas de ATM. PE Provider Edge. Nombre que se le da al Router del Proveedor que se conecta al equipo del cliente. PIM Protocol Independet Multicast. Protocolo utilizado para redes Multicast. Prefijos Agrupaciones de direcciones IP o subredes que se tienen en una tabla de enrutamiento. PVC Permanent Virtual Circuit. Circuito configurado permanentemente en tecnologías de capa 2 como ATM o Frame Relay. PVP Permanent Virtual Path. Trayectoria configurada permanentemente en una red ATM y que lleva varios VC s. RD Route Distinguisher. Identificador de ruta. Valor de 8 bytes concatenado al prefijo de IPv4 para crear una VPN única para dicho prefijo. XXI

32 RIP Routing Information Protocol. Protocolo de información de enrutamiento. Intercambia información de enrutamiento con otros enrutadores que corren el mismo protocolo con el fin de transmitir paquetes. Router Enrutador, ruteador o encaminador de paquetes de capa 3 referenciado al Modelo OSI. Envía paquetes basándose en la información IP de los mismos y en la tabla de enrutamiento que posee. Route Reflector Enrutador que maneja sesiones de Multiprotocol IBGP centralizadas con el fin de evitar configuraciones de malla a nivel de sesiones. RT Route Target. Ruta objetivo. Comunidad extendida que identifica tablas de enrutamiento de las VPN s. SVC Switched Virtual Circuit. Circuito virtual conmutado que es establecido sólo bajo demanda y una vez terminada la transmisión sobre el mismo es eliminado. TCP Transmision Control Protocol. Protocolo de control de transmisión. Ubicado en el nivel 4 del Modelo Osi, XXII

33 controla la transmisión de información de capas superiores y garantiza que las mismas lleguen en correctamente. TDM Time Division Multiplexing. Técnica que transmite información en varios canales en distinto período de tiempo por el mismo medio. Time Slot Canal de determinado ancho de banda por el cual TDM enviará información a la velocidad de dicho canal en cierto período de tiempo. TTL Time To Live. Campo localizado en el encabezado IP cuyo valor disminuye mientras pasa por cada salto de la red, con el objetivo evitar que un paquete quede circulando por la red en caso de un bucle de enrutamiento. UBR Unspecified Bit Rate. Tasa de transmisión no especificada que le da la menor prioridad al tráfico sobre una red ATM. UNI User Network Interface. Interfase en un equipo que se conecta al equipo del cliente. Unicast Modo de envío de paquetes hacia un solo destino. XXIII

34 VBR-NRT Variable Bit Rate Non Real Time. Categoría de servicio de ATM para tráfico de ráfaga variable y no crítico por no ser en tiempo real. VBR-RT Variable Bit Rate Real Time. Categoría de servicio de ATM para tráfico de ráfaga variable que es crítico debido a que es en tiempo real. VCI Virtual Channel Identifier. Es el identificador del canal o circuito virtual dentro de la trayectoria virtual. VPI Virtual Path Identifier. Identificador Virtual de la trayectoria de un grupo de VCI s. VPN Virtual Private Network. Red privada virtual que puede ser sobre tecnologías tradicionales o sobre MPLS. VPN V4 Extensión de Multiprotocol IBGP para el envío de tablas de enrutamiento virtuales a través de la red MPLS para las distintas VPN s. XXIV

35 VRF Virtual Routing and Forwarding. Enrutamiento virtual y de envío independiente y separado para cada VPN configurada en la red MPLS. VSI Virtual Switch Interface. Interfase virtual entre el LSC y el conmutador ATM. WAN Wide Area Network. Red de área extendida. XXV

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37 RESUMEN En el presente trabajo de graduación se comentan y analizan las características de las redes privadas virtuales, implementadas sobre la nueva tecnología para el envío de paquetes, que es MPLS. Para tener claro dicho panorama, se hace necesario hacer una breve descripción de cómo las tecnologías tradicionales de transmisión han servido de transporte e infraestructura básica, a lo que son las VPN s tradicionales. En cuanto a lo que es MPLS, se da una descripción de su funcionamiento y de su gran versatilidad para el envío de paquetes sobre una red IP. Para lo que es la descripción y explicación de lo que son las VPN s sobre MPLS, se analizan los dos escenarios más comunes que son, la implementación de VPN s en redes de Modo de Paquetes y la implementación de VPN s en redes de Modo ATM Nativo. De esta descripción anterior se notará la ventaja de la implementación en Modo de Paquetes. Haciendo entonces una comparación entre las implementaciones tradicionales de VPN s y las implementaciones sobre MPLS. Se nota rápidamente que las VPN s sobre MPLS sobrepasan en ventajas a la implementaciones tradicionales, notándose también la reducción de los costos y la facilidad de implementación. Finalmente, se presenta una propuesta de implementación, basándose dicha propuesta, en las guías de diseño descritas y presentando un escenario bastante común en nuestro medio, de tal forma que XXVII

38 el lector tendrá las herramientas suficientes para diseñar redes VPN sobre MPLS, encontrando propuestas que abarcan todos los escenarios más comunes encontrados en nuestro medio. XXVIII

39 HIPÓTESIS El uso de tecnología MPLS para la implementación de VPN s por medio de VRF s en equipo Cisco a partir de la versión 12.0 le permite a los proveedores de servicios de datos reducir sus costos de implementación, obtener una red con mayor escalabilidad, simplificar la configuración, facilitar el manejo y tener una mejor estructura de la red. XXIX

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41 OBJETIVOS GENERAL Proveer una herramienta de información para el diseño de redes privadas sobre una red MPLS, lo cual permitirá a la persona que lea este trabajo de graduación, obtener el conocimiento básico necesario para poder trabajar sobre la tecnología MPLS. ESPECÍFICOS 1. Explicar qué es el MPLS y como funciona. 2. Explicar y dar a entender cómo se crea una VRF y cómo se implementa en una Red con MPLS. 3. Establecer una comparación entre una VPN en una red tradicional y una VPN montada sobre MPLS. XXXI

42 4. Proponer Diseños para implementación de VPN s sobre MPLS en los escenarios de transmisión más comunes de nuestro medio. XXXII

43 INTRODUCCIÓN En nuestros días puede notarse muy claramente que la era digital está avanzada, que el Internet es una necesidad y que las redes de datos se han convertido en una herramienta indispensable para la infraestructura de los países. De aquí la importancia de poder proveer redes de datos confiables y económicas para los distintos sectores que lo requieran en una comunidad. De esta necesidad surgen proveedores de servicios, que construyen infraestructuras digitales para poder soportar estas redes y que con el paso del tiempo se han vuelto costosas y difíciles de ampliar Esta situación ha impulsado a los fabricantes de equipos a usar técnicas más eficientes en la construcción de redes. Adicionalmente uno de los grandes objetivos es aprovechar la infraestructura existente, ya que el costo no deja de ser importante a la hora de implementar redes y definitivamente el mismo será menor, si la red se actualiza sobre infraestructura existente. De aquí surge la primera opción de desarrollo sobre redes IP, ya que la infraestructura existente en las mismas permite hacer varios desarrollos a nivel de sistemas operativos, haciendo solamente actualizaciones de memoria a los equipos existentes para soportar las nuevas funcionalidades. Es aquí donde surge la tecnología MPLS y una de sus principales aplicaciones que son las VPN s. Iniciaremos entonces el estudio describiendo la evolución tecnológica desde las tecnologías de transmisión tradicionales. XXXIII

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45 1. INTRODUCCIÓN A LAS TECNOLOGÍAS TRADICIONALES PARA REDES DE ÁREA EXTENDIDA Desde el momento en que aparece la digitalización de la información, tanto para datos como para la voz, se hace necesario transportar los mismos. Las tecnologías para el transporte de información digital se pueden ubicar en las capas 1 y 2 del Modelo OSI. Comúnmente en nuestro medio se les conoce como tecnologías de Capa 2. Aunque en su momento hubo desarrollos de varias tecnologías para suplir las necesidades de transporte, en Guatemala y a nivel mundial, se popularizaron y se volvieron más comunes tres tecnologías básicas que son TDM, Frame Relay y ATM. Estas tecnologías en su momento se adaptaron para transportar circuitos de voz, como también para interactuar con protocolos de capa 3 para la transmisión específica de datos. El protocolo de capa 3 que predominó sobre otros es IP. Por varios años el campo de las telecomunicaciones basó su transporte en complejas redes que se interconectaban utilizando estándares específicos y adicionalmente formaron la base de transporte para la red IP más grande que hay hasta el momento que es Internet. Es de hacer notar la importancia que tiene el comprender el funcionamiento de estas tres tecnologías, que inicialmente fueron conocidas como tecnologías de transporte para redes de área extendida, WAN, por sus siglas en inglés. Estos tipos de transmisión tendrán la función de transportar la información, tanto por redes públicas como por redes privadas. 1

46 1.1 Multiplexación por división de tiempo TDM Como su nombre los indica, TDM envía una ráfaga de información en un determinado período de tiempo. El objetivo de esto es poder enviar varias ráfagas y en cada una de éstas información distinta. Si se hace lo anterior sobre un mismo canal de transmisión de una manera repetitiva obtendremos, desde el punto de vista del usuario, circuitos virtuales de diferentes velocidades, las cuáles dependerán de cuántos períodos de tiempo (time slot) sean asignados a la ráfaga o flujo de datos. Para modular la información se utiliza PCM, cuyas siglas significan modulación por código de pulso. Generalmente las llamadas de voz necesitan 4 khz de ancho de banda. Esta señal es muestreada 8,000 veces por segundo y la información es cuantificada dentro de un número binario de 8 bits, o sea, dentro de este número tenemos 2 elevado a la 8 que son 256 niveles para registrar la señal inicial. Este tipo de modulación resulta en un canal con una tasa de transferencia constante de 64 kilo bits por segundo, es decir, 8,000 muestras por segundo X 8 bits por muestra da como resultado un canal o flujo de 64 kbps. Este canal es llamado DS0, Señal Digital 0 por sus siglas en inglés, corresponde a un TS o Time Slot que lo llamamos anteriormente período de tiempo. El DS0 es la base para la jerarquía de señal digital, que básicamente tiene 2 normas, la americana y la europea. La tabla I muestra ambas normas. Generalmente el circuito físico sobre el medio de transmisión, ya sea de cobre o óptico, se conoce como T1. Por ejemplo, se habla de habilitar un T1 o T3, que sería DS1 y T3 respectivamente, en la jerarquía de Señal Digital. 2

47 Tabla I. Jerarquías de señal digital. Norma Nivel de Señal Digital Número de Canales de 64 kbps Equivalente Ancho de Banda Americana DS0 1 1 x DS0 64 kbps Americana DS x DS Mbps Americana DS x DS Mbps Americana DS x DS Mbps Americana (SONET) OC xDS1 155 Mbps Americana (SONET) OC xDS1 622 Mbps Americana (SONET) OC xDS1 2.5 Gbps Americana (SONET) OC xDS1 10 Gbps Americana (SONET) OC xDS1 40 Gbps Europea E x DS Mbps Europea E x DS0 34 Mbps Europea (SDH) STM xDS1 155 Mbps Europea (SDH) STM xDS1 622 Mbps Europea (SDH) STM xDS1 2.5 Gbps Europea (SDH) STM xDS1 10 Gbps Europea (SDH) STM xDS1 40 Gbps Los circuitos o grupos de circuitos que hemos mencionado, utilizan multiplexores que son conocidos como Unidades de Servicio de Circuito, o bien, unidades de servicio digital; CSUs y DSUs respectivamente. Estas unidades o equipos se instalan en los puntos donde el cliente requiere el servicio. Para poder interconectar estas unidades existen los sistemas de crosconexión y de acceso digital, DACS por sus siglas en inglés y están instalados en las oficinas del proveedor, o si la red es extensa, en nodos distribuidos geográficamente. Esta estructura le permite al proveedor dar soluciones punto a punto, o lo que se conoce como líneas dedicadas. Las líneas dedicadas se han usado extensamente para proveer las soluciones de redes privadas virtuales a los clientes. 3

48 La figura 1 muestra como se vería una VPN tradicional desde el punto de vista de un usuario que quiere interconectar cuatro oficinas remotas a una oficina central. Figura 1. VPN Tradicional. OFICINA CENTRAL CSUs/DSUs CSU/DSU LINEAS DEDICADAS CSU/DSU CSU/DSU CSU/DSU OFICINA REMOTA 1 OFICINA REMOTA 4 OFICINA REMOTA 2 OFICIAN REMOTA 3 Cuando las redes de este tipo se extienden mucho y tienden a crecer, el proveedor se auxilia de una red de trasporte más robusta, tanto en ancho de banda como en tipo de estructura. Para esto surgen dos tipos de redes de transporte, la primera es en base a los estándares Norteamericanos (ANSI) y llama red óptica síncrona (SONET, por sus siglas en inglés). El estándar europeo se llama jerarquía digital síncrona (SDH, por sus siglas en inglés), este estándar tiende a usarse en el resto del mundo. Los niveles de transporte para estas redes se muestran también en la tabla I. Estas redes utilizan en su 4

49 núcleo de red multiplexores de inserción/extracción (ADM, por sus siglas en inglés). Los ADM s suman los circuitos de menor nivel y los montan sobre un solo canal de transporte de mayor nivel. Por la cantidad de tráfico que manejan, los ADM s suelen interconectarse en topologías que permitan una buena redundancia. Estas topologías son anillo, malla y malla parcial. La más común por su bajo costo es la de anillo. Desde el punto de vista de un proveedor de servicio la red de transporte luciría como en la figura 2. Figura 2. Red de transporte. DSU s/csu s DSU s/csu s MUX DS1 MUX DS1 DSU s/csu s MUX DS1 MUX DS1 MUX DS3 ADM ANILLO SDH O SONET ADM MUX DS3 MUX DS1 ADM MUX DS3 MUX DS1 DSU s/csu s MUX DS1 MUX DS3 MUX DS1 DSU s/csu s MUX DS1 MUX DS1 MUX DS3 MUX DS1 DSU s/csu s DSU s/csu s DSU s/csu s DSU s/csu s DSU s/csu s 5

50 En la figura 2 puede observarse claramente como la Jerarquía de Nivel de Señal va aumentando desde el equipo remoto hasta llegar al nodo principal. Por medio de la configuración de circuitos a través de estas redes se obtienen los enlaces o líneas dedicadas que el cliente usa para crear sus VPN s. Debido a su estructura las líneas dedicadas tienen la ventaja de proveer una buena seguridad y beneficios de control. Por ser líneas dedicadas no se suele tener problemas de disponibilidad de ancho de banda como sucede en un medio compartido, en el cual la disponibilidad de ancho de banda es estadística y representa un problema en algunas ocasiones. El circuito está creado permanentemente y no requiere establecer una conexión para transferir datos, sin embargo esta otra ventaja trae la desventaja inherente de uso ineficiente del ancho de banda. Esto se debe a que se está pagando por un ancho de banda que se usa de un 40 a 70 por ciento del tiempo en el mejor de los casos, lo que trae como consecuencia un gasto excesivo debido a que este tipo de enlaces es muy costoso. 1.2 Relevo de tramas FRAME RELAY El relevo de tramas o Frame Relay surge como una tecnología intermedia entre lo que son las tecnologías TDM y ATM. Surge del estándar establecido por la ANSI y la ITU-T, adicionalmente se auxilia del Frame Relay Forum para lograr la interoperabilidad entre los distintos proveedores. Frame Relay opera en el nivel 2 del modelo OSI y reduce considerablemente sus encabezados a nivel de trama ya que asume la no 6

51 existencia de errores a nivel de capa 2. Esto quiere decir que básicamente, Frame Relay confía en protocolos de capa superior, como lo es TCP, para corregir cualquier error a nivel de capa física. El algoritmo que utiliza Frame Relay para la corrección de errores a nivel de trama está basado en el polinomio de 16 bit CRC. Este polinomio provee detección de errores para tramas de hasta 4,096 bytes de longitud. La diferencia básica que tiene Frame Relay con las tecnologías que le preceden, es la aparición de Circuitos Virtuales Permanentes o PVC s (por sus siglas en inglés). Estos PVC s son canales lógicos entre los Dispositivos de Acceso de Frame Relay (FRAD, por sus siglas en inglés) y la red propia de Frame Relay. Otro concepto asociado a los que son los PVC s son los Identificadores de conexión de línea de datos o DLCI s. El DLCI básicamente es la identificación para cada PVC creado. Un DLCI tiene una ruta predeterminada para la trayectoria de las tramas. De esta manera pueden crearse a través de la red de Frame Relay, circuitos que interconectan varios sitios o oficinas para los usuarios y de esta manera se construyen las VPN s para los mismos. El DLCI tiene significado local y suele asignársele un valor entre 1 y 1,022. Los PVC s son creados desde la Interfase de Red de Usuario (UNI, por sus siglas en inglés) a través de la red de Frame Relay, hasta llegar a su punto remoto que es otra UNI. La interfase UNI es la demarcación entre el FRAD y la red Frame Relay. Otra de las ventajas que posee Frame Relay es un mejor aprovechamiento del ancho de banda. Esto se logra por medio del uso de la Rata de Información Comprometida o CIR. Es un parámetro que se aplica en los circuitos virtuales y permite el control de la velocidad de transferencia de los datos. 7

52 En un evento de congestión en la red las ráfagas de transferencia que excedan el valor del CIR, serán marcadas y eventualmente descartadas de la red. Para entender un poco mejor como funciona el CIR veamos este ejemplo; tenemos un enlace de 256 kbps, sobre el mismo hay 3 PVC s configurados; el primer PVC lleva el tráfico de datos crítico y se le asigna un CIR de 128 kbps; el segundo PVC lleva tráfico FTP y el tercer PVC lleva el tráfico de aplicaciones no críticas, por lo tanto se le asigna a cada uno un CIR de 32 kbps. Si vemos, la suma del CIR es de 192 kbps, lo que está bien ya que está dentro del rango de la velocidad del enlace. Si en algún enlace la suma del CIR llega a exceder la velocidad del enlace se le conoce con el nombre en inglés de oversubscription, que no es más que exceder la capacidad de ancho de banda del enlace con la suma de las tasas de transferencia comprometidas. La mayoría de los proveedores no configuran enlaces con oversubscription ya que esto afecta directamente los niveles de calidad de servicio acordados con el cliente. A continuación se muestra en la figura 3, un ejemplo de una red Frame Relay que interconecta 4 puntos diferentes e ilustra la creación de circuitos virtuales que interconectan estos puntos simulando una VPN tradicional. Para que la interacción entre la UNI y el FRAD, el estándar de Frame Relay utiliza el protocolo llamado Interfase Local de Gestión o LMI (por sus siglas en inglés). El protocolo LMI básicamente interroga periódicamente a la red sobre su estatus y verifica la integridad del enlace, el estatus de los PVC s y si existen errores en la red. 8

53 Figura 3. Red de Frame Relay FRAD UNI DLCI 500 RED DE FRAME RELAY DLCI 502 DLCI 501 UNI UNI FRAD UNI FRAD FRAD Por último, se tiene una de las características innovadoras, que en su tiempo, introdujo Frame Relay. Esta es el control de congestión. El control de congestión se logra por medio de el uso de dos bits que se llaman FECN y BECN. La función del primero consiste en notificar congestión al nodo de Frame Relay que está en la dirección del flujo de tráfico. El segundo hace la notificación en el sentido inverso a la dirección del flujo de tráfico. Adicionalmente de la notificación explícita de congestión, que es la que acabamos de analizar, existe la notificación implícita. La notificación implícita suele ser más compleja y se basa en protocolos que corren entre los FRAD s y una Terminal que es la que controla y monitorea las condiciones de la red. 9

54 Como conclusión se puede decir que la tecnología Frame Relay fue una muy buena alternativa para los proveedores de servicio debido a sus características de bajo costo y versatilidad para redes de acceso menores a un DS3. La desventaja de estas redes es el constante análisis y monitoreo que se debe hacer sobre el tráfico para que la calidad del servicio no decaiga en determinado momento y se afecte el servicio entregado a los usuarios. 1.3 Modo de transferencia asíncrona ATM El Modo de Transferencia Asíncrona o ATM, es el último en nuestra lista de tecnologías tradicionales que estamos analizando brevemente antes de entrar al tema principal del presente trabajo. Esta tecnología de transmisión surge como estándar de la ITU-T que fue diseñada para BISDN, o sea, el término en inglés Broadband ISDN. ATM es un tipo de transmisión orientado a la conexión, es decir, se necesita establecer primero una conexión entre dos puntos específicos de la red para que exista una transferencia de tramas. La forma en la que estas tramas están formadas es un poco diferente a las tramas que hemos visto anteriormente, de hecho, tienen hasta un nombre diferente, se les conoce como celdas. Estas celdas tienen como primera característica una longitud constante que es de 48 bytes. A estos segmentos se les conoce como Unidades de Protocolo de Datos o PDU s. A estos PDU s se les adiciona un encabezado de 5 bytes, conocido como encabezado de ATM. Como resultado tenemos una celda de 53 bytes de longitud que podemos visualizar como contenedores en donde se toman los datos de capas superiores, se fragmentan (si es necesario) y se acomodan entre estas celdas para su respectiva transmisión en la red 10

55 ATM. Para que estas celdas puedan moverse a través de la red, se identifican con dos nombres que son el identificador virtual de trayectoria o VPI y el identificador virtual de canal o VCI; juntos reúnen la información necesaria para el tránsito exitoso de las celdas en la red. El tiempo de llegada o retardo de un grupo particular de celdas no es necesariamente periódico. De ahí entonces el nombre de Transferencia Asíncrona, que denota la particularidad de transferencia asíncrona de las celdas, que es totalmente lo contrario con el transporte sincronizado como TDM, que transmite y recibe en períodos específicos de tiempo. Inicialmente la tecnología ATM fue creada para ser una solución de extremo a extremo, es decir, se pensaba que la misma sustituiría las tecnologías WAN y LAN a nivel mundial y sería la principal elección de los Proveedores de Servicio para el trasporte de voz, video y datos. Se esperaba que la parte de Emulación de Redes Lan fuera de uso extendido, sin embargo la misma no tuvo éxito y fue sustituida por las tecnologías Fast Ethernet y Gigabit Ethernet. Estos protocolos son mucho más simples y fáciles de implementar, por lo que la mayoría de Empresas grandes y pequeñas optaron por la implementación de los mismos. Analicemos entonces, la parte en donde ATM sí tuvo un impacto significativo y debido a su revolucionaria estructura fue por varios años, la tecnología preferida de los países que iban a la vanguardia de la tecnología. Para iniciar debemos destacar el considerable aumento de la inteligencia en este modo de transmisión. Tal vez con lo visto hasta ahora no sea evidente la anterior información, pero conforme analicemos brevemente la estructura de esta tecnología entenderemos mejor esta gran ventaja que tiene este modo de 11

56 transmisión. Como siempre con una gran ventaja viene una desventaja, que en este caso es el alto nivel de complejidad de una red ATM y que también se ve reflejado en un costo alto. Debido a lo anterior la mayoría de las redes ATM están destinadas a ser sustituidas a mediano plazo por nuevas redes que buscan reducir los costos y facilitar la implementación. Iniciemos entonces por el modelo OSI, es un modelo que nos ha servido de mucho para entender como funcionan las redes de datos. El mismo se representa en un plano de dos dimensiones y se compara al modelo de ATM que como se podrá ver en la Figura 4 es un modelo de 3 dimensiones (empieza la parte compleja). Figura 4. Comparación de modelo OSI y modelo ATM MODELO ATM MODELO OSI PLANO DE GESTIÓN APLICACIÓN PRESENTACIÓN SESIÓN TRANSPORTE RED PLANO DE CONTROL CAPAS SUPERIORES CAPA DE ADAPTACIÓN ATM PLANO DE USUARIO CAPAS SUPERIORES GESTIÓN DE PLANO GESTIÓN DE CAPA ENLACE CAPA ATM FISICA CAPA FÍSICA Analicemos brevemente la función de los Planos y las Capas de ATM, basándonos en la figura 4. 12

57 1.3.1 Modelo de planos ATM Para poder controlar la señalización, la transferencia de datos del usuario y la gestión; ATM utiliza los siguientes Planos: Plano de control: controla la señalización, tanto generación como los requerimientos. Plano de usuario: controla la transferencia de los datos. Plano de gestión: consta de dos componentes, Gestión de Capa y Gestión de Plano. La Gestión de Capa maneja las funciones específicas de la capa como detección de fallas y problemas de protocolo. La Gestión de Plano maneja y coordina las funciones relacionadas con el sistema completo Capas ATM Analicemos ahora la parte que interactúa con transporte de protocolos de capas superiores: Capa Física: se encarga de manejar el medio de transmisión. 13

58 Capa ATM: se encarga de establecer las conexiones y realizar la transferencia de las celdas. Capa de Adaptación ATM: en conjunto con la Capa ATM, esta capa se encarga de tomar los datos de capas superiores y los adapta al formato de celdas existentes para su envío Celdas ATM Para ver como la complejidad va en aumento, veamos brevemente como está formada la celda ATM. En la figura 5 podemos ver como está constituida la celda ATM. Como habíamos observado anteriormente, la celda ATM tiene un tamaño de 53 bytes, de los cuales 5 bytes son de encabezado y 48 son para el transporte de datos. Existen dos tipos de formatos de encabezado. El primero es UNI, o sea, interfase de red de usuario. El segundo es NNI, o sea, interfase de nodo de red. Los anteriores formatos diferencian las celdas que se intercambian, tanto del lado de red, como en las interfases de cara al usuario. A continuación veremos una breve descripción de cada uno de los campos de la celda. 14

59 Figura 5. Celda ATM GFC VPI VPI ENCABEZADO 5 bytes VPI VCI PT CLP PT VCI CLP 53 bytes HEC HEC DATOS 48 bytes DATOS DATOS 8 bits CELDA ATM CELDA ATM UNI CELDA ATM NNI Control Genérico de Flujo GFC: es un campo de 4 bit cuya función principal es el control de flujo. Identificador Virtual de Trayectoria VPI: es un campo de 8 bit que identifica la trayectoria que tomará la Celda. Identificador Virtual de Canal VCI: es un campo de 16 bit que identifica un canal específico dentro de una trayectoria (VPI). 15

60 Tipo de Datos PT: es un campo de 3 bit que identifica el tipo de información contenida en la parte de Datos de la Celda. Prioridad de Pérdida de Celda CLP: prioridad para descarte de Celda. es un solo bit que indica la Control de Error de Encabezado HEC: detecta o corrige errores en el encabezado. es un campo de 8 bit que Generación de celdas ATM Llegamos al punto en el cual debemos entender cómo se generan las Celdas en una Red ATM. El proceso inicia cuando el CPE toma toda la información de las capas superiores y pasa la información a la capa de adaptación de ATM (AAL), que como recordaremos, es la encargada de adaptar la información que se recibe al formato de celdas ATM. Esta adaptación va a depender del tipo de Datos que se manejen. Una vez hecha la adaptación, la información pasa a la capa ATM, que es la encargada de generar las celdas con el formato de 48 bytes e insertar en el mismo la información a transmitir. Por último, la información pasa a la capa física, la cual enviará la información de a cuerdo al protocolo de transmisión que se esté trabajando. En la figura 6 se muestra un diagrama que nos ayuda a ilustrar el proceso anteriormente mencionado y nos da la perspectiva de la red ATM desde el punto de vista del Proveedor de Servicio. 16

61 Figura 6. Red ATM NNI NNI CPE CPE Capas Superiores Capa AAL Capa ATM Capa Fisica UNI NNI RED ATM NNI UNI Capas Superiores Capa AAL Capa ATM Capa Fisica UNI UNI Una vez que las celdas están creadas y se están enviando a través del medio físico, es la parte de canales virtuales la que se encarga de llevar las Celdas hasta su destino final basándose en la información que traen las mismas. El par de información VPI/VCI es la clave para poder construir sobre la red física una red virtual que entregue las Celdas generadas en los extremos de la red hacia sus respectivos destinos. Los canales virtuales creados, generalmente se usan para proveer VPN s a los Usuarios. En la figura 7 se ilustra una Red ATM desde el punto de vista del Usuario del Servicio. En esta figura se ilustra la conexión lógica que da origen a la VPN. 17

62 Figura 7. Red ATM lógica 0/32 0/34 0/33 RED ATM 3/34 1/32 2/ Calidad de servicio en ATM La calidad de servicio es una de las cualidades importantes que se introduce en esta tecnología de transmisión. En sí la calidad de servicio es el tratamiento que le damos al tráfico que estamos transportando. Si el equipo nos permite ofrecer una mayor prioridad para tráfico importante, descartar tráfico no crítico en horas de congestión y limitar velocidades en algunas aplicaciones, permitirá al Proveedor de Servicio poder ampliar su carta de servicios hacia el Usuario, teniendo como resultado un beneficio mutuo. 18

63 El Foro ATM define las siguientes calidades de servicio, que describiremos brevemente, Clase A, Rata Constante de Bit CBR: esta clasificación se aplica al tráfico considerado como crítico en la red, es decir, no tolera retardos ni descarte de paquetes. Esta configuración simula un canal dedicado, que generalmente se entrega con tecnología TDM. Clase B, Rata Variable de Bit Tiempo Real VBR-RT: es una clasificación para tráfico generado en ráfagas, pero por estarse realizando en tiempo real no tolera los retardos. Los ejemplos de este tipo de tráfico son la voz y el video aplicados por ejemplo a una videoconferencia. Clase C, Rata Variable de Bit Tiempo No Real VBR-NRT: es también una clasificación para tráfico generado en ráfagas, pero con la diferencia de que el retardo no es crítico. Un ejemplo es la descarga de Cursos Virtuales, Videos, etc. Clase D, Rata de Bit Disponible ABR: en esta clasificación está todo el tipo de tráfico que es más tolerante a los retardos y pérdida de paquetes. 19

64 Clase D, Rata de Bit no Especificada UBR: es similar a la anterior y se utiliza para clasificar el restante de tráfico que no es afectado por los retardos y las pérdidas de paquetes. Con esta última característica de la red ATM (QoS), terminamos de analizar la tecnología más completa, de las 3 que analizamos, para la transmisión de datos y la construcción de VPN s tradicionales. Como podemos ver la mejor tecnología, desde un punto de vista global, es la ATM; sin embargo, se destaca que la mayoría de las características que la hacen más versátil que sus antecesoras, también la hace más compleja. Conforme el tiempo transcurrió, los fabricantes y desarrolladores de tecnologías de red, empezaron a buscar tecnologías que los hicieran más competitivos en el mercado. Uno de los objetivos para lograr una buena competitividad es disponer de tecnologías baratas y de fácil implementación. Debido a esto, se empezó a desarrollar más soluciones de transmisión en IP ya que es el protocolo de capa 3 más difundido y proporciona mucha flexibilidad para desarrollo ya que es un modelo de paquetes. Como conclusión vemos que las tecnologías tradicionales para la Transmisión y creación de VPN s serán reemplazadas a mediano plazo por redes Ip. 20

65 2. ARQUITECTURA MPLS Las iniciales vienen del nombre en inglés Multiprotocol Label Switching. Una traducción bastante aproximada a nuestro idioma sería multiprotocolo para conmutación de etiquetas. De cualquier forma, la manera más común a la que se conoce este protocolo es simplemente con sus iniciales, MPLS. La intención de la palabra Multiprotocolo es tratar de enfatizar que esta arquitectura de conmutación de etiquetas puede ser aplicable a cualquier protocolo de capa de red; sin embargo, este trabajo de graduación se enfoca a la aplicación que ha tenido en el protocolo IP versión 4. Para entender un poco la aparición de este protocolo es bueno recordar la manera en que funcionan las redes IP. Las redes IP basan su funcionamiento en un modelo de paquetes y direcciones IP. Las direcciones IP son los identificadores de los elementos de red a través de los cuales se envían paquetes con información. Los paquetes son enviados a través de la red en base a una dirección IP origen y una dirección IP destino que van en el encabezado del paquete. Estos paquetes llevan información hacia los equipos, que regularmente son computadoras, con fines diversos (el ejemplo más común e ilustrativo es el acceso a Internet y sus diversas aplicaciones). Los equipos encargados de encaminar estos paquetes a través de la red son los enrutadores o como son conocidos comúnmente Routers. El Router es la columna vertebral de las redes IP debido a la función vital de envío de paquetes. El Router se auxilia de la tabla de enrutamiento en donde tiene la información necesaria para poder enviar cualquier paquete que le sea enviado a 21

66 su siguiente salto en la red. Por varios años el modelo anteriormente descrito fue la base de las redes IP, que además de Internet, son usadas para la creación de VPN s. Sin embargo, con la alta taza de crecimiento de las redes de paquetes, el aumento de tráfico en las mismas, la complejidad de las topologías y la diversificación de aplicaciones; los procesadores de los Routers se empezaron a ver afectados y a quedarse sin capacidad para enviar paquetes de una manera eficiente y las redes empezaron a tornarse lentas. Esto es fácil de entender al imaginar que el Router tiene que examinar el paquete y buscar en su tabla de enrutamiento y una vez encontrado el siguiente salto enviar el paquete. Si a esto añadimos que en una red grande las tablas de enrutamiento tienden a ser grandes y además se suelen configurar requerimientos especiales a los Routers, como listas de acceso, marcaje de paquetes, calidad de servicio, etc. Ante lo anterior, los diversos fabricantes aplicaron diversas técnicas que aliviaron el problema, pero aún así, no existía conformidad con la lentitud de envío de paquetes en comparación con los modelos de transmisión y de envío de tramas de capa 2. Por esto varios fabricantes empezaron a trabajar en un modelo más eficiente para enviar los paquetes y que se pudiera acoplar a la infraestructura IP existente. El resultado fue el estándar publicado por la IETF para MPLS. Con la aparición de los microprocesadores ASIC (circuito integrado de aplicación específica) los Routers empezaron a enviar paquetes con la misma velocidad con la que un conmutador de capa 2 envía tramas. Debido a esto, la mejora en la velocidad de envío de paquetes, ya no fue el principal beneficio de las redes MPLS. Sin embargo, la arquitectura MPLS trae otros beneficios a las redes IP, de tal manera, que su aplicación se ha extendido tanto que casi todos los Proveedores de Servicios de Interconexión de Redes IP, tanto para servicios de Internet, como para servicios de VPN, utilizan núcleos de red con 22

67 arquitectura MPLS. Dentro de los beneficios que adquieren los Proveedores de Servicio al Implementar núcleos de red con tecnología MPLS tenemos los siguientes, Integración, ya que MPLS puede funcionar con las tecnologías tradicionales de transmisión. Escalabilidad de VPN s, debido a su fácil implementación y fácil crecimiento. Reducción de procesamiento en núcleos de red, como hemos hablado anteriormente, el CPU de los Routers se ve altamente aliviado por la forma de envío de paquetes. Ingeniería de tráfico, debido a que pueden preestablecerse rutas para diversos tráficos y balancear carga. Calidad de servicio, debido a que puede hacerse una clasificación más eficiente de los distintos tráficos. 23

68 2.1 Funcionamiento de MPLS Ahora bien, en sí, cuál es la gran diferencia que crea la conmutación de etiquetas? La conmutación de etiquetas crea trayectorias predefinidas, por así decirlo, para que los paquetes circulen por la red sin la necesidad de que los Routers examinen el paquete a nivel de capa 3. Ahora los Routers simplemente envían los paquetes en base a la información de las etiquetas. Para entender mejor, anteriormente los Routers tomaban los paquetes, los asignaban a un FEC específico y después asignaban este FEC a un siguiente salto. Esto se hacía cada vez que un paquete arribaba a un Router y éstos realizaban estas funciones independientemente. Con el modelo de Etiquetas Conmutadas, la asignación del FEC y la determinación de la ruta se hace sólo una vez y en los Routers de borde. La conmutación de etiquetas resume la información y permite conocer todos los destinos posibles y asignar una trayectoria de etiquetas conmutadas permitiendo así el óptimo envío de paquetes. Para lograr lo anterior, la arquitectura de MPLS se vale de dos planos, el plano de control y el plano de envío. La figura 8 muestra la arquitectura de estos planos. 24

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